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储能系统技术 储能系统 工商业光伏 可靠性分析 ★ 5.0

考虑工业应用中应力交互的电解电容累积退化建模

Cumulative Degradation Modeling of Electrolytic Capacitors Considering Stress Interactions in Industrial Applications

作者 Qisen Sun · Cen Chen · Zicheng Wang · Xuerong Ye · Min Xie · Guofu Zhai
期刊 IEEE Transactions on Industrial Electronics
出版日期 2025年2月
技术分类 储能系统技术
技术标签 储能系统 工商业光伏 可靠性分析
相关度评分 ★★★★★ 5.0 / 5.0
关键词 电解电容器 动态应力 退化预测 应力交互作用 累积退化模型
语言:

中文摘要

电解电容器对电力电子变换器的功能至关重要,其性能退化会显著影响这些设备的安全性和可靠性。在工业应用中,电容器通常在动态而非恒定应力水平下运行。量化动态应力下的退化具有挑战性,因为这需要考虑潜在的应力相互作用。尽管此类相互作用会深刻影响退化路径,但它们常常被忽视,导致可靠性预测与工程实践之间出现显著偏差。本文引入了一种考虑应力相互作用的累积退化模型,以提高动态应力下退化预测的准确性。本文不仅识别出电解电容器参数退化中存在路径依赖现象,而且在此基础上,提出了一种将应力相互作用与现有恒定应力条件下退化建模基础相结合的方法。引入路径调整因子以提高预测精度,并为其估计所需的实验和数据分析提供了详细的方法。实验结果证实了该方法的实际适用性和准确性。与传统模型相比,所提出的方法显著提高了计算精度。

English Abstract

Electrolytic capacitors are vital to the functionality of power electronic converters, with their degradation significantly affecting the safety and reliability of these devices. Capacitors typically operate under dynamic rather than constant stress levels in industrial applications. Quantifying the degradation under dynamic stress is challenging, as it requires consideration of the potential stress interactions. Although such interactions can profoundly affect degradation paths, they are often overlooked, leading to significant deviations between reliability predictions and engineering practices. This article introduces a cumulative degradation model that considers stress interactions to enhance the accuracy of degradation prediction under dynamic stress. This article not only identifies the existence of path dependence in the degradation of electrolytic capacitor parameters but also, building upon this, presents a method for integrating stress interactions with the existing foundation of degradation modeling under constant stress conditions. A path adjustment factor is introduced to enhance prediction accuracy and provide a detailed methodology for the experimental and data analysis required for its estimation. Experimental evidence confirms the practical applicability and accuracy of the method. Compared to conventional models, the proposed method considerably enhances computational accuracy.
S

SunView 深度解读

电解电容器作为光伏逆变器和储能变流器的核心部件,其可靠性直接影响系统的全生命周期表现。该论文提出的累积退化模型对阳光电源具有重要的工程应用价值。

从业务场景看,我司产品在实际运行中面临复杂的动态应力环境:光伏逆变器需应对辐照度波动、温度循环和负载变化,储能系统则经历频繁的充放电切换。传统基于恒定应力的可靠性评估模型往往高估或低估电容寿命,导致维护策略失当或过度设计。该研究揭示的"路径依赖"现象——即应力施加顺序会影响退化轨迹——正是工程实践中长期困扰的问题根源。

论文提出的路径调整因子方法具有显著技术价值。通过量化应力交互作用,可以更精准预测电容在实际工况下的性能衰减,这将直接提升我司产品的可靠性设计能力。具体应用包括:优化逆变器散热设计以减缓关键应力交互、制定基于真实退化模型的预测性维护策略、在储能系统中实现更激进的功率密度设计而不牺牲寿命保证。

技术成熟度方面,该方法已通过实验验证,但工程化应用仍需建立完整的测试数据库和参数标定流程。主要挑战在于不同电容品牌和型号的路径调整因子差异,需要大量实验投入。然而,考虑到电容失效是逆变器和储能系统的主要故障模式之一,这项投资对提升产品竞争力、降低质保成本具有显著的战略意义,建议技术中心启动专项研究跟进。